Soudage par ultrasons de composites à fibres végétales et matrice thermoplastique

Ultrasonic welding of natural fiber / thermoplastic matrix composites

• Auteur / Autrice : Oussama El-Ogri
• Direction : Olivier Sicot, Jérôme Rousseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique appliquée
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de Recherche en Ingénierie des Véhicules pour l'Environnement (DRIVE) (Nevers)
• Jury : Président / Présidente : Damien Soulat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : France Chabert, Patrick Ienny

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres naturelles

Lin

Soudage

Ultrasons

Mots clés libres

Soudage par ultrasons

Composite stratifié

Fibre de lin

Mise en œuvre

Thermoplastique

Plans d'expérience

Ultrasonic welding

Composite laminate

Flax fiber

Implementation

Thermoplastic

Experimental designs

Résumé

Le soudage par ultrasons représente une méthode d'assemblage prometteuse pour les composites à matrice thermoplastique. Sa rapidité, la possibilité d'automatisation ainsi que le recyclage facilité des structures ainsi assemblées font partie de ses principaux avantages. Son application à des composites à fibres naturelles présente encore des défis en raison de la sensibilité de ces matériaux à la température. L'objectif de cette thèse est d'évaluer la faisabilité de tels assemblages et de déterminer les combinaisons de paramètres permettant d'obtenir des performances optimales.Le matériau employé pour cette étude est un pli tissé d'armure sergé 2/2 lin/polypropylène à fibres comêlées. La première étape de ce travail a été d'optimiser le procédé de fabrication par thermocompression de stratifiés à partir de ce matériau. A cette fin, les liens entre les paramètres de fabrication (pression, température et durée de chauffage), la microstructure et le comportement mécanique des stratifiés de lin/PP ont été examinés.La seconde partie du travail est consacrée à l'assemblage par ultrasons de ces matériaux. Les paramètres du process sont tout d'abord optimisés en employant un plan d'expérience de façon à maximiser la résistance au cisaillement de joints simple recouvrement. A partir de ces premières données, une étude fine de l'influence de chacun de ces paramètres est menée en s'appuyant sur la mesure des températures subies par le matériau durant le process, la caractérisation mécanique des éprouvettes, ainsi que l'analyse morphologique des coupes transversales et des faciès de rupture des éprouvettes. Les résultats montrent que des combinaisons judicieuses de paramètres permettent d'obtenir un soudage continu sans dégradation visible des fibres de lin ni altération des substrats.Enfin, la dernière partie s'intéresse à l'influence de l'orientation des fibres à l'interface soudée sur les performances de l'assemblage. Pour cela, des séquences originales d'empilement conduisant à des propriétés d'isotropie du stratifié sont employées afin d'éliminer les effets perturbateurs des changements de raideur de l'éprouvette selon l'orientation. Ceci permet de montrer que l'influence de l'orientation des fibres reste faible et pourrait donc être négligée dans le cadre d'une modélisation numérique des zones soudées.

Ultrasonic welding represents a promising assembly method for thermoplastic matrix composites. Its speed, potential for automation, and ease of recycling for the assembled structures are among its key advantages. However, applying this technique to natural fiber composites poses challenges due to the temperature sensitivity of these materials. The objective of this thesis is to assess the feasibility of such assemblies and determine parameter combinations for achieving optimal performance.The material used for this study is a 2/2 twill weave flax/polypropylene ply with comingled fibers. The first stage of this work involved optimizing the manufacturing process using thermocompression for laminates from this material. In this regard, the relationships between manufacturing parameters (pressure, temperature, and heating duration), microstructure, and the mechanical behavior of flax/PP laminates were examined.The second part of the work focuses on ultrasonic welding of these materials. The process parameters are initially optimized using a designed experiment to maximize the shear strength of single lap joints. Building on these initial data, a detailed study of the influence of each parameter is conducted, supported by temperature measurements during the process, mechanical characterization of test specimens, and morphological analysis of cross-sections and fracture surfaces of the test specimens. The results indicate that judicious combinations of parameters enable continuous welding without visible degradation of flax fibers or alteration of substrates.Finally, the last part investigates the influence of fiber orientation at the welded interface on assembly performance. To address this, original stacking sequences leading to laminate isotropy properties are employed to eliminate the disruptive effects of stiffness changes of the specimen depending on orientation. This demonstrates that the influence of fiber orientation remains weak and could be disregarded in the context of numerical modeling of welded zones.